СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ ВРУБОВОЙ ПОЛОСТИ Российский патент 2009 года по МПК F42D3/04 E21D9/00 

Изобретение относится к горной промышленности и железнодорожному строительству, в частности при буровзрывной проходке горизонтальных наклонных горных выработок и железнодорожных тоннелей.

Известен способ образования врубовой полости со шпурами, перпендикулярными плоскости забоя, в центре которых располагают незаряжаемую скважину [см. Мосинец В.Н., Пашков А.Д., Латышев В.А. Разрушение горных пород. - М.: Недра, 1975. - С.152-153].

При этом для проходки выработок в скальных породах с применением детонита в шпурах диаметром 32 мм расстояние между осями шпура и скважины равно

a≅1,8d₁,

где d₁- диаметр незаряженной скважины, равный от 0,05 до 0,2 м.

Однако, как показал опыт проходческих работ на рудниках ОАО ППГХО, расстояние между шпуром и скважиной зависит от детонационных характеристик ВВ, свойств горных пород, диаметра заряда ВВ во врубовых шпурах и так далее.

Наиболее близким техническим решением является способ с использованием щелевого вруба [см. Справочник взрывника. / Под ред. Б.Н.Кутузова. - М.: Недра, 1988. - С.359-361]. Вруб состоит из шпуров, заряжаемых через один. Минимально возможное расстояние между заряжаемым и незаряжаемым шпуром определяют в зависимости от диаметра шпуров, коэффициента акустической жесткости породы, плотности и относительной работоспособности ВВ, плотности породы (см. формулу 12.6).

Однако, если в щелевом врубе использовать незаряжаемые скважины отличного от заряжаемых шпуров диаметра, то определить расстояние между шпурами невозможно. Кроме того, коэффициент акустической жесткости пород зависит от коэффициента крепости горных пород (см. табл.12.1) и не учитывает трещиноватость массива горных пород. Хотя общепризнано, что параметры трещиноватости массива существенно влияют на качество взрыва. Помимо этого, формула 12.6 не учитывает горное давление в месте образования вруба, что влияет на качество образования врубовой полости.

Предложен способ образования врубовой полости, включающий бурение компенсационной скважины и врубовых шпуров вокруг нее с расстоянием между врубовыми шпурами и скважиной в зависимости от коэффициента акустической жесткости породы, диаметра заряда в шпуре, плотности заряжания и работоспособности ВВ, плотности породы и взрывание врубовых шпуров, отличающийся тем, что с учетом параметров трещиноватости, физических свойств горных пород, детонационных характеристик ВВ, величины горного давления и диаметра компенсационной скважины кратчайшее расстояние между образующими врубового шпура и скважины определяют из выражения

где π=3,14

D - скорость детонации ВВ, м/с;

ρ_в - плотность заряжания, кг/м³;

d₃ - диаметр заряда ВВ во врубовых шпурах, м;

с - скорость продольной волны в горной породе, м/с;

ν - коэффициент Пуассона горной породы;

µ - коэффициент трения между отдельностями массива;

d_c - диаметр компенсационной скважины;

σ_p - предел прочности на разрыв горной породы, Па;

Р - величина горного давления в районе врубовых шпуров, Па;

Ф - показатель трещиноватости массива;

d_e - средний размер отдельности массива.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить образование врубовой полости заданных размеров и высокий КИШ за счет определения расстояния между врубовым заряжаемым шпуром и незаряжаемой скважиной (шпуром) с учетом всего комплекса влияющих факторов: параметров трещиноватости массива, физических свойств горных пород, детонационных характеристик ВВ, величины горного давления и диаметра компенсационной скважины.

Сущность способа заключается в следующем. Известно, что разрушение трещиноватого массива горных пород происходит в основном под действием квазистатического давления продуктов детонации. В трещиноватом массиве распространяется волна деформаций со скоростью 10-100 м/с, представляющая собой последовательное перемещение раздробленных и не раздробленных отдельностей в радиальном направлении от заряда ВВ. Это сопровождается возникновением в массиве сжимающих (радиальных) и растягивающих (тангенциальных) напряжений и дроблением массива на куски. Причем с удалением от заряда ВВ размер кусков увеличивается. Эффективным расстоянием от врубового шпура до незаряжаемой компенсационной скважины будет то, на котором размер крупных кусков будет равен диаметру компенсационной скважины.

Теоретический расчет по определению расстояния между врубовым шпуром и компенсационной скважиной (шпуром) приведен в приложении.

Предложенный способ осуществляют следующим образом. Физико-механические свойства массива σ_p, c, ν, ρ определяют на стадии геологоразведочных работ по известным методикам. Детонационные характеристики ВВ (D, ρ_в) и диаметр заряда ВВ во врубовом шпуре (d₃) определяют, используя справочную литературу. Величину горного давления в районе проведения выработки определяют либо геофизическими методами, либо по известной формуле P=ρgH (где ρ - объемная масса горного массива, кг/м³, g - ускорение свободного падения, м/с²; Н - глубина от поверхности земли, м). Значения величин Ф, µ определяют в зависимости от d_e по таблице:

d_e, M <0,05 0,05-0,15 0,15-0,40 0,40-1,0 >1,0 Ф >12 12-10 10-8 8-6 <6 µ <0,2 0,2-0,3 0,3-0,45 0,45-0,6 ≥0,6

Величина d_c соответствует диаметру компенсационной скважины.

Далее бурят скважину, шпуры проходческого цикла, шпуры заряжают и производят взрывание.

Пример. Проходка горно-капитальных выработок на 12 горизонте рудника «Глубокий»» ОАО ППГХО с использованием прямого вруба с центральной компенсационной скважиной (расстояние между образующими скважины и шпура равно 0,25 м) на некоторых участках проходила с КИШ, равным 0,5-0,6. Анализ горно-геологических условий показал, что на этих участках преобладают трудновзрываемые, крупноблочные граниты. Для эффективной проходки выработок на этих участках было определено расстояние между врубовым шпуром и компенсационной скважиной. Массив представлен мелко-зернистыми гранитами с d_e=0,4-1,0 м (0,7 м в среднем). Физико-механические свойства гранитов c=5·10³ м/с, ν=0,23, σ_p=10⁷Па, ρ=2,5·10³ кг/м³, взрывание производят аммонитом 6ЖВ в шпурах диаметром d₃=0,04 м, D=4,2·10³ м/с, ρ_B=1,2·10³ кг/м³. Величина горного давления на глубине Н=600 м равна Р=1,47·10⁷ Па. Численные значения величин µ=0,52, Ф=7 определены по таблице, d_c=0,105 м.

Подставляя численные значения в математическую зависимость (1), получим α=0,18 м.

В соответствии с указанным параметром α бурили прямой вруб с компенсационной скважиной и остальные шпуры проходческого цикла, их заряжали и взрывали. Установлено (после 5 циклов взрывания), что КИШ увеличился до 0,75-0,9.

Таким образом, использование предлагаемого способа образования врубовой полости доказало его эффективность и достоверность. Увеличение КИШ, кроме того, обеспечивает повышение уровня безопасности при проведении горных выработок и тоннелей.

Теоретический расчет расстояния между врубовым шпуром и компенсационной скважиной с целью проработки массива горных пород между шпуром и скважиной.

Опыт проходки выработок на рудниках ОАО ППГХО в трудновзрываемых гранитах показал, что применение способа образования врубовой полости с бурением компенсационной скважины в центре забоя и параллельных ей врубовых шпуров (как правило, четыре) на расстоянии от скважины и взрывание врубовых шпуров на скважину показало его эффективность.

Однако в некоторых случаях коэффициент использования шпура (КИШ) был минимальным. В результате анализа установлено, что при расположении врубовых шпуров на расстоянии, большем критического, для данной горной породы разрушение породы между шпурами и скважиной отсутствует.

В этом случае образуется некачественная врубовая полость и КИШ минимален. Для обеспечения максимального КИШ необходимо определить расстояние между врубовым шпуром и скважиной, достаточное для разрушения и смещения в скважину взорванной горной массы.

Согласно исследованиям [Тюпин В.Н. Повышение эффективности геотехнологии с использованием энергии взрыва при деформировании трещиноватых напряженных массивов горных пород. М.: ВНИПИпромтехнологии, - 2002. - 267 с.], величина растягивающих напряжений при взрыве цилиндрического заряда ВВ в трещиноватом массиве в условиях горного давления равна

где r - расстояние от заряда ВВ, м, остальные параметры расшифрованы в описании изобретения.

Подставляя в (1.1) вместо σ_p(r) величину σ_p (предел прочности на разрыв образца породы) и решая полученное уравнение относительно r, определен радиус зоны радиального трещинообразования.

Для того чтобы взорванная горная масса была вдавлена в скважину, необходимо, чтобы максимальный размер куска разрушенной породы на образующей скважины не превышал ее диаметра d_c. To есть правую часть (1.2) необходимо умножить на величину (d_c/d_e)^0,5, полученную согласно закона Риттингера: работа разрушения обратно пропорциональна размеру разрушенных кусков, а разрушающее напряжение пропорционально корню квадратному из этого выражения. Тогда кратчайшее расстояние между образующими врубового шпура и компенсационной скважины равно

где d_e - средний размер отдельности в массиве горных пород, м.

Изобретение может быть использовано в горной промышленности, железнодорожном строительстве, буровзрывной проходке горизонтальных наклонных горных выработок и железнодорожных тоннелей. Способ образования врубовой полости включает бурение компенсационной скважины и врубовых шпуров вокруг нее с расстоянием между врубовыми шпурами и скважиной в зависимости от коэффициента акустической жесткости породы, диаметра заряда в шпуре, плотности заряжания и работоспособности ВВ, плотности породы и взрывание врубовых шпуров. Кратчайшее расстояние между образующими врубового шпура и скважины определяют из выражения с учетом параметров трещиноватости, физических свойств горных пород, детонационных характеристик ВВ, величины горного давления и диаметра компенсационной скважины. Изобретение позволяет определить расстояние между врубовыми шпурами и компенсационной скважиной в зависимости от перечисленных параметров бурения, взрывания и физико-технических свойств пород и обеспечивает образование качественной врубовой полости и заданного КИШ при проходке выработок и тоннелей, а также повысить уровень безопасности проходческих работ. 1 табл.

Способ образования врубовой полости, включающий бурение компенсационной скважины и врубовых шпуров вокруг нее, с расстоянием между врубовыми шпурами и скважиной, в зависимости от коэффициента акустической жесткости породы, диаметра заряда в шпуре, плотности заряжания и работоспобности ВВ, плотности породы и взрывание врубовых шпуров, отличающийся тем, что с учетом параметров трещиноватости, физических свойств горных пород, детонационных характеристик ВВ, величины горного давления и диаметра компенсационной скважины, кратчайшее расстояние между образующими врубового шпура и скважины определяют из выражения
,
где π=3,14;
D - скорость детонации ВВ, м/с;
ρ_в - плотность заряжания, кг/м³;
d₃ - диаметр заряда ВВ во врубовых шпурах, м;
с - скорость продольной волны в горной породе, м/с;
ν - коэффициент Пуассона горной породы;
µ - коэффициент трения между отдельностями массива;
d_c - диаметр компенсационной скважины, м;
σ_p - предел прочности на разрыв горной породы, Па;
Р - величина горного давления в районе врубовых шпуров, Па;
Ф - показатель трещиноватости массива;
d_e - средний размер отдельности массива, м.